SYNOPSIS REAKTOR NUKLIR DAN APLIKASINYA

Transkripsi

1 SYNOPSIS REAKTOR NUKLIR DAN APLIKASINYA PENDAHULUAN Disamping sebagai senjata nuklir, manusia juga memanfaatkan energi nuklir untuk kesejahteraan umat manusia. Salah satu pemanfaatan energi nuklir secara besar-besaran adalah dalam bentuk pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Energi nuklir di sini digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Macam-macam reaktor berdasarkan kegunaannya antara lain adalah : 1. Reaktor daya Reaktor daya merupakan reaktor komersial yang menghasilkan energi listrik untuk dijual misalnya PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir). 2. Reaktor riset termasuk uji material dan latihan. Reaktor riset/penelitian adalah suatu reaktor yang dimanfaatkan untuk berbagai macam tujuan penelitian. Misalnya reaktor uji material yang digunakan secara khusus untuk uji iradiasi, reaktor untuk eksperimen fisika reaktor, reaktor riset untuk penelitian dengan menggunakan berkas neutron dan alat eksperimen kekritisan, reaktor untuk pendidikan dan pelatihan. Di antara reaktor-reaktor tersebut, yang disebut reaktor riset pun terdiri dari berbagai macam, misalnya reaktor untuk eksperimen berkas neutron dan uji iradiasi material. Reaktor untuk eksperimen perisai, reaktor untuk uji pulsa dan lain-lain. Tipe-tipe reaktor riset antara lain tipe kolam berpendingin dan bermoderator air berat, tipe kolam berpendingin dan bermoderator air ringan dan tipe kolam berpendingin air ringan dan bermoderator air berat. 3. Reaktor produksi isotop yang kadang-kadang digolongkan juga kedalam reaktor riset. 1

2 Ditinjau dari tenaga neutron yang melangsungkan reaksi pembelahan, reaktor dibedakan menjadi reaktor cepat dan reaktor therma. Berdasarkan parameter yang lain dapat disebut reaktor berreflektor grafit, reaktor berpendingin air ringan dan reaktor suhu tinggi. Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi inti berantai terkendali, baik pembelahan inti (fisi) atau penggabungan inti (fusi). Fungsi reaktor fisi dibedakan menjadi dua, yaitu reaktor penelitian dan reaktor daya. Pada reaktor penelitian, yang diutamakan adalah pemanfaatan netron hasil pembelahan untuk berbagai penelitian dan iradiasi serta produksi radioisotop. Panas yang ditimbulkan dirancang sekecil mungkin sehingga panas tersebut dapat dibuang ke lingkungan. Pengambilan panas pada reaktor penelitian dilakukan dengan sistem pendingin, yang terdiri dari sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder. Panas yang berasal dari teras reaktor diangkut oleh air di sekitar teras reaktor (sistem pendingin primer) dan dipompa oleh pompa primer menuju alat penukar panas. Selanjutnya panas dibuang ke lingkungan melalui menara pendingin (alat penukar panas pada system pendingin sekunder). Perlu diketahui bahwa antara alat penukar panas, sistem pendingin primer atau sekunder tidak terjadi kontak langsung. Sementara, pada reaktor daya, panas yang timbul dari pembelahan dimanfaatkan untuk menghasilkan uap yang bersuhu dan bertekanan tinggi untuk memutar turbin. Sebuah reaktor merupakan sumber energi yang efisien. Jadi secara umum reaktor nuklir adalah tempat berlangsungnya reaksi nuklir yang terkendali. Untuk mengendalikan operasi dan menghentikannya digunakan bahan penyerap neutron yang disebut batang kendali. Jenis reaktor nuklir dibedakan berdasarkan besarnya energi kinetik neutron yang merupakan faktor utama dalam reaksi fisi berantai, yaitu reactor neutron panas, reaktor neutron cepat dan lain-lain. Berdasarkan jenis materi yang digunakan sebagai moderator dan pendingin, reaktor 2

3 diklasifikasikan menjadi reaktor air ringan, reaktor air berat, reaktor grafit dan lain-lain. Berdasarkan tujuannya, diklasifikasikan menjadi reaktor riset, reaktor uji material, reaktor daya dan lain-lain. 3

4 ISI A. Prinsip Kerja Reaktor Nuklir I. Komponen Reaktor Nuklir Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico Fermi pada tahun 1942 di Universitas Chicago. Hingga saat ini telah ada berbagai jenis dan ukuran rekator nuklir, tetapi semua reaktor atom tersebut memiliki lima komponen dasar yang sama, yaitu: elemen bahan bakar, moderator netron, batang kendali, pendingin dan perisai beton. II. Gambar 1. Skema Dasar Reaktor Nuklir Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) a. Elemen Bahan Bakar Elemen bahan bakar ini berbentuk batang-batang tipis dengan diameter kira-kira 1 cm. Dalam suatu reaktor daya besar, ada ribuan elemen bahan bakar yang diletakkan saling berdekatan. Seluruh elemen bahan bakar dan daerah sekitarnya dinamakan teras reaktor. Umumnya, bahan bakar reaktor adalah uranium-235. oleh karena isotop ini hanya kira-kira 0,7% terdapat dalam uranium alam, maka diperlukan proses khusus untuk memperkaya (menaikkan prosentase) isotop ini. Kebanyakan reaktor atom komersial menggunakan uranium- 235 yang telah diperkaya sekitar 3%. b. Moderator Netron Netron yang mudah membelah inti adalah netron lambat yang memiliki energi sekitar 0,04 ev (atau leih kecil), sedangkan netron- 4

5 netron yang dilepaskan selama proses pembelahan inti (fisi) memiliki energi sekitar 2 MeV. Oleh karena itu, sebuah raktor atom harus memiliki materaial yang dapat mengurangi kelajuan netron-netron yang energinya sangat besar sehingga netron-netron ini dapat dengan mudah membelah inti. Material yang memperlambat kelajuan netron dinamakan moderator. Moderator yang umum digunakan adalah air. Ketika netron berenergi tinggi keluar dari sebuah elemen bahan bakar, netron tersebut memasuki air di sekitarnya dan bertumbukan dengan molekul-molekul air. Netron cepat akan kehilangan sebagian energinya selama menumbuk molekula air (moderator) terutama dengan atom-atom hidrogen. Sebagai hasilnya netron tersebut diperlambat. c. Batang Kendali Jika keluaran daya dari sebuah reaktor dikehendaki konstan, maka jumlah netron yang dihasilkan harus dikendalikan. Sebagaimana diketahui, setiap terjadi proses fisi ada sekitar 2 sampai 3 netron baru terbentuk yang selanjutnya menyebakan proses berantai. Jika netron yang dihasilkan selalu konstan dari waktu ke waktu (faktor multiplikasinya bernilai 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi kritis. Sebuah reaktor normal bekerja pada kondisi kritis. Pada kondisi ini reaktor menghasilkan keluaran energi yang stabil. Jika netron yang dihasilkan semakin berkurang (multiplikasinya kurang dari 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi subkritis dan daya yang dihasilkan semakin menurun. Sebaliknya jika setiap saat netron yang dihasilkan meningkat (multiplikasinya lebih besar dari 1), reaktor dikatakan dalam keadaan superkritis. Selama kondisi superkritis, energi yang dibebaskan oleh sebuah reaktor meningkat. Jika kondisi ini tidak dikendalikan, meningkatnya energi dapat mengakibatkan mencairkan sebagain atau seluruh teras reaktor, dan pelepasan bahan radioaktif ke lingkungan sekitar. Jelas bahwa sebuah mekanisme kendali sangat diperlukan untuk menjaga reaktor pada keadaan normal atau kondisi kritis. Kendali ini 5

6 dilakukan oleh sejumlah batang kendali yang dapat bergerak keluarmasuk teras reaktor. Lihat gambar 1. Batang kendali terbuat dari bahan-bahan penyerap netron, seperti boron dan kadmium. Jika reaktor menjadi superkritis, batang kendali secara otomatis bergerak masuk lebih dalam ke dalam teras reaktor untuk menyerap kelebihan netron yang menyebabkan kondisi itu kembali ke kondisi kritis. Sebaliknya, jika reaktor menjadi subkritis, batang kendali sebagian ditarik menjauhi teras reaktor sehingga lebih sedikit netron yang diserap. Dengan demikian, lebih banyak netron tersedia untuk reaksi fisi dan reaktor kembali ke kondisi kritis. Untuk menghentikan operasi reaktor (misal untuk perawatan), batang kendali turun penuh sehingga seluruh netron diserap dan reaksi fisi berhenti. d. Pendingin Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi meningkatkan suhu reaktor. Suhu ini dipindahkan dari reaktor dengan menggunakan bahan pendingin, misalnya air atau karbon dioksida. Bahan pendingin (air) disirkulasikan melalui sistem pompa, sehingga air yang keluar dari bagian atas teras reaktor digantikan air dingin yang masuk melalui bagin bawah teras reaktor. e. Perisai Beton Inti-inti atom hasil pembelahan dapat menghasilkan radiasi. Untuk menahan radiasi ini (radiasi sinar gamma, netron dan yang lain), agar keamanan orang yang bekerja di sekitar reaktor terjamin, maka umumnya reaktor dikungkungi oleh perisai beton. III. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) Berdasarkan jenis pendinginnya, ada beberapa jenis reaktor. Dalam pembahasan ini akan dibahas pembakit listrik tenaga nuklir yang menggunakan reaktor air bertekanan (Pressurized Water Reactor = PWR). Dalam PWR, kalor yang dihasilkan dalam batang-batang bahan bakar diangkut keluar dari teras reaktor oleh air yang terdapat di 6

7 sekitarnya (sistem pendingin primer). Air ini secara terus-menerus dipompakan oleh pompa primer ke dalam reaktor melalui saluran pendingin reaktor (sistem pendingin primer). Gambar 2. Diagram PLTN Jenis PWR Untuk mengangkut kalor sebesar mungkin, suhu air dikondisikan mencapai C. Untuk menjaga air tidak mendidih (yang dapat terjadi pada suhu C pada tekanan 1 atm), air diberi tekanan 160 atm. Air panas diangkut melalui suatu alat penukar panas (heat exchanger), dan kalor dari air panas dipindahkan ke air yang mengalir di sekitar alat penukar panas (sistem pendingin sekunder). Kalor yang dipindahkan ke sistem pendingin sekunder memproduksi uap yang memutar turbin. Turbin dikopel dengan suatu generator listrik, tempat daya keluaran listrik menuju konsumen melalui kawat transmisi tegangan tinggi. Setelah keluar dari turbin, uap didinginkan kembali menjadi air oleh pengembun (condenser) dan kemudian dikembalikan lagi ke alat penukar panas oleh pompa sekuder. a. Sistem Keselamatan Sistem keselamatan operasi reaktor terutama ditujukan untuk menghindari bocornya radiasi dari dalam teras reaktor. Berbagai usaha pengamanan dilakukan untuk melindungi pekerja dan anggota masyarakat dari bahaya radiasi ini. Sistem keselamatan reaktor dirancang mampu menjamin agar unsur-unsur radioaktif di dalam 7

8 teras reaktor tidak terlepas ke lingkungan, baik dalam operasi normal atau waktu ada kejadian yang tidak diinginkan. Kecelakaan terparah yang diasumsikan dapat terjadi pada suatu reaktor nuklir adalah hilangnya sistem pendingin teras reaktor. Peristiwa ini dapat mengakibatkan pelelehan bahan bakar sehingga unsur-unsur hasil fisi dapat terlepas dari kelongsong bahan bakar. Hal ini dapat mengakibatkan unsur-unsur hasil fisi tersebar ke dalam ruangan penyungkup reaktor. Gambar 3. Sistem Penghalang Ganda (Multiple Barrier) Agar unsur-unsur hasil fisi tetap dalam keadaan terkungkung, maka reaktor nuklir memiliki sistem keamanan yang ketat dan berlapis-lapis. Karena digunakan sistem berlapis maka sistem pengamanan ini dinamakan penghalang ganda. Adapaun jenis penghalang tersebut adalah sebagai berikut: 1) Penghalang pertama adalah matrik bahan bakar nuklir. Lebih dari 99& unsur hasil fisi akan tetap terikat secara kuat dalam matriks bahan bakar ini. 2) Penghalang kedua adalah kelongsong bahan bakar. Apabila ada unsur hasil fisi yang terlepas dari matriks bahan bakar, maka unsur tersebut akan tetap terkungkung di dalam kelongsong yang dirancang tahan bocor. 3) Penghalang ketiga adalah sistem pendingin. Seandainya masih ada unsur hasil fisi yang terlepas dari kelongsong, maka unsur tersebut 8

9 IV. akan terlarut dalam air pendingin primer sehingga tetap terkungkung dalam tangki reaktor. 4) Penghalang keempat adalah perisai beton. Tangki reaktor disangga oleh bangunan berbentuk kolam dari beton yang dapat berperan sebagai penampung air pendingin apabila terjadi kebocoran. 5) Penghalang kelima dan keenam adalah sistem pengungkung reaktor secara keseluruhan yang terbuat dari pelat baja dan beton setebal dua meter serta kedap udara. Pengelolaan Limbah Radioaktif a. Limbah Radioaktif Limbah radioaktif merupakan hasil samping dari kegiatan pemanfaatan teknologi nuklir. Dalam limbah radioaktif ini terdapat unsur-unsur radioaktif yang masih memancarkan radiasi. Limbah radioaktif tidak boleh dibuang ke lingkungan karena radiasi yang dipancarkan berpotensi memberikan efek merugikan terhadap kesehatan manusia. Program pengelolaan limbah radioaktif ditujukan untuk menjamin agar tidak seorang pun akan menerima paparan radiasi melebihi nilai batas yang diizinkan. Terdapat hal-hal unik yang menguntungkan dalam rangka pengelolaan limbah radioaktif: 1) Sifat fisika dari zat radioaktif yang selalu meluruh menjadi zat stabil (tidak radioaktif lagi). Karena terjadi peluruhan, maka jumlah zat radioaktif akan selalu berkurang oleh waktu. Sifat ini sangat menguntungkan karena cukup hanya dengan meyimpan secara aman, zat radioaktif sudah berkurang dengan sendirinya. 2) Sebagian besar zat radioaktif yang terbentuk dalam teras reaktor nuklir umumnya memiliki waktu paro yang sangat pendek, mulai orde beberapa detik hingga beberapa hari. Hal ini menyebabkan peluruhan zat radioaktif yang sangat cepat yang berarti terjadi pengurangan volume limbah yang sangat besar dalam waktu relatif singkat. 9

10 3) Saat ini telah berhasil dikembangkan berbagai jenis alat ukur yang sangat peka terhadap radiasi. Dengan alat ukur ini keberadaan zat radioaktif skecil apa pun selalu dapat dipantau. b. Pengolahan Limbah Radioaktif Secara keseluruhan, pengelolaan limbah radioaktif yang lazim dilakukan meliputi tiga pendekatan pokok bergantung besar kecilnya volume limbah, tinggi rendahnya aktivitas zat radioaktif serta sifatsifat fisika dan kimia limbah tersebut. Tiga pendekatan pokok itu meliputi: 1) Limbah radioaktif dipekatkan dan dipadatkan yang pelaksanaannya dilakukan di dalam wadah khusus untuk selanjutnya disimpan dalam waktu yang cukup lama. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair yang mengandung zat radioaktif beraktivitas sedang dan atau tinggi. 2) Limbah radioaktif disimpan dan dibiarkan meluruh dalam tempat penyimpanan khusus sampai aktivitasnya sama dengan aktivitas zat ardioaktif lingkungan. Cara ini efektif jika dipakai untuk pengelolan limbah radioaktif cair atau padat yang beraktivitas rendah dan berwaktu paroh pendek. 3) Limbah radioaktif diencerkan dan didispersikan ke lingkungan. Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair atau gas beraktivitas rendah. Dengan ketiga pendekatan itu diharapkan bahwa aktivitas limbah radioaktif yang lepas ke lingkungan sama dengan aktivitas zat radioaktif yang secara alamiah sudah ada pada lingkungan. Dengan cara itu factor keselamatan manusia dan lingkungan tetap merupakan prioritas utama dalam pemanfaatn teknologi nuklir. c. Penyimpanan Lestari Baik bahan bakar bekas yang tidak mengalami proses ulang maupun bahan-bahan radioaktif sisa hasil proses olah ulang akan tetap diperlakukan sebagai limbah radioaktif. Oleh karena itu, semua 10

11 bentuk limbah radioaktif harus disimpan secara lestari. Penyimpanan lestari limbah radioaktif secara aman merupakan tujuan akhir dari pengelolaan limbah radioaktif. Untuk mempermudah dalam proses penyimpanan lestari limbah radioaktif, maka semua bentuk limbah diubah ke dalam bentuk padat. Limbah radioaktif cair yang terbentuk diolah dengan proses evaporasi. Sistem ini mampu mengolah limbah radioaktif cair menjadi konsentrat radioaktif dan destilat yang tidak radioaktif. Alat ini mampu mereduksi volume limbah cair dengan faktor reduksi 50. Artinya, jika ada 50 m3 limbah cair yang diolah, maka akan dihasilkan 1 m3 konsentrat radioaktif, sisanya menjadi air destilat yang sudah tidak radioaktif. Gas-gas yang terbentuk juga terkungkung dalam pengungkung reaktor. Gas ini kemudian disaring melalui sistem ventilasi dengan filter yang berlapis-lapis. Setelah dipakai untuk pengikatan radioaktif, filter tersebut selanjutnya diperlakukan sebagai limbah padat. Gambar 4. Skema Pengelolaan Limbah Radioaktif Pemadatan limbah radioaktif dimaksudkan agar limbah tersebut terikat dengan kuat alam suatu matriks padat sangat kuat. Matriks dirancang mampu bertahan hingga zat radioaktif yang diikatnya meluruh mencapai kondisi radioaktifnya setara dengan radioaktif lingkungan. Dengan pemadatan seperti ini maka zat radioaktif tidak akan terlepas ke lingkungan dalam kondisi apa pun selama disimpan. 11

12 Proses pemadatannya bisa dilakukan dengan semen (sementasi), aspal (bitumenisasi), polimer (polimerisasi), maupun bahan gelas (vitrikasi). Padatan limbah radioaktif kemudian dimasukkan ke dalam kontainer yang dibuat dari baja tahan karat. Reaktor nulir untuk pembangkit yang menghasilkan tenaga berdaya MWe setiap tahunnya menghasilkan limbah radioaktif padat berupa bahan bakar bekas sebanyak 30 tahun. Namun setelah diolah ulang dan dipadatkan, volume limbah hanya sebanyak 4 m3. Selanjutnya disimpan dalam penyimpanan sementara yang berukuran 50m x 50 m x 4 m. Tempat penampungan ini mampu menampung limbat padat yang berasal dari 10 reaktor yang beroperasi selama 50 tahun. Setelah mengalami penyimpanan selama 50 tahun di penyimpanan sementara, kemampuan memancarkan radiasi dari limbah tersebut sudah sangat kecil. Selanjutnya dipindahkan ke tempat penyimpanan akhir (ultimate storage) yang berada di bawah permukaan tanah. Tahapan penyimpanan akhir ini atau penyimpanan lestari merupakan merupakan tahap akhir proses pengolahan limbah. Falsafahnya: zat radioaktif yang semula diambil dari tanah (proses penambangan uranium), dikembalikan lagi ke dalam tanah. Gambar 5. Penyimpanan Lestari Limbah Radioaktif 12

13 B. Aplikasi Reaktor Nulir Sebagai penghasil radioisotop, reaktor atom dapat menghasilkan berbagai macam radioisotop yang dapat dimanfaatkan untuk banyak keperluan. Selain itu reaktor atom juga dapat menghasilkan neutron yang dapat digunakan untuk penelitian. Unsur radioaktif yang tersedia di alam tidak memadai untuk memenuhi kebutuhan tertentu yang menghendaki sifat-sifat tertentu dari unsur radioaktif tersebut. Penggunaan radioisotop, di samping mendatangkan banyak manfaat, juga dapat mendatangkan masalah. Masalah yang dihadapi sekarang ini di antaranya, masalah pengontrolan dan pembuangan limbah nuklir. Pembuatan persenjataan nuklir dari negara-negara maju maupun negara yang berkembang yang tidak dikontrol akan membahayakan bagi kehidupan. Di bidang kedokteran, radioisotop digunakan untuk keperluan diagnosis dan perawatan medis. Mesin sinar X merupakan peralatan diagnosis penting yang selama bertahun- tahun telah digunakan. Alat ini membutuhkan arus listrik untuk pengoperasiannya. Kini dengan menggunakan sinar gamma dari sinar radioisotop, dapat diperoleh hasil yang sama. Karena peralatan yang menggunakan sinar gamma sangat ringan dan tidak memerlukan arus listrik yang besar, maka alat ini dapat digunakan di lapangan atau di tempat-tempat yang sekiranya pasien sulit dipindahkan ke ruang sinar X. 13

14 PENUTUP A. Kesimpulan Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico Fermi pada tahun 1942 di Universitas Chicago. Hingga saat ini telah ada berbagai jenis dan ukuran rekator nuklir, tetapi semua reaktor atom tersebut memiliki lima komponen dasar yang sama, yaitu: elemen bahan bakar, moderator netron, batang kendali, pendingin dan perisai beton. Sebagai penghasil radioisotop, reaktor atom dapat menghasilkan berbagai macam radioisotop yang dapat dimanfaatkan untuk banyak keperluan. Selain itu reaktor atom juga dapat menghasilkan neutron yang dapat digunakan untuk penelitian. Unsur radioaktif yang tersedia di alam tidak memadai untuk memenuhi kebutuhan tertentu yang menghendaki sifat-sifat tertentu dari unsur radioaktif tersebut. Diantara pemanfaatan reaktor nuklir baik langsung maupun tak langsung antara lain digunakan untuk pembangkit listrik, kedokteran, pertanian dan peternakan. 14

15 DAFTAR PUSTAKA Hidayanto, Eko Juli Anonim, Juli